深度探讨NMOS晶体管用作电流镜的工作原理

本实验的目标是研究增强模式NMOS晶体管用作电流镜的工作原理。

背景

理论上，N型N型金属氧化物半导体(NMOS)电流镜的工作原理与我们在2020年8月份学生专区文章中分析的双极性结型晶体管(BJT)电流镜相同。两个具有相同栅源电压(VGS)的相同晶体管将有相同的漏极电流ID。第二晶体管M2中的电流实际上是第一晶体管M1中电流的镜像。记住MOS晶体管的漏极电流与栅源电压具有如下关系：

其中，K = μnCox/2，λ可以认为是与工艺技术相关的常数。

根据定义，相同晶体管具有相同的W/L和工艺技术常数。在简单电流镜中，两个晶体管具有相同的VGS。因此，两个晶体管将有相同的ID。由于没有电流流入，FET的栅极端子IIN = IOUT。

材料

●    ADALM2000 主动学习模块

●    无焊面包板

●    跳线

●    两个1 kΩ电阻（阻值尽可能接近或者测量到三位数字或更高精度）

●    两个小信号NMOS晶体管（ZVN2110A或CD4007 NMOS阵列）

●    一个双通道运算放大器，例如 ADTL082

●    两个4.7 μF解耦电容

说明

一种测量电流镜特性的好办法如图1所示。输入电阻R1和输出电阻R2现在都是1 kΩ。务必精确测量R1和R2的实际值，以确保电流镜的输入和输出电流测量结果是精确的。IIN等于W1处的W2输出电压除以R1的值。IOUT等于示波器通道2测量的电压除以R2的值。二极管连接的M1跨接在M2的栅极和源极端子上。

在电流镜配置中，运算放大器作为电流镜输入节点的虚拟地，将来自W2的电压阶跃转换为通过1 kΩ电阻的电流阶跃。

图1.NMOS电流镜测试电路。

图2.简化测试配置。

硬件设置

加载适用于信号发生器的W2通道的 stairstep.csv 文件，将幅度设置为3 V p-p，偏置设置为1.5 V。输出器件M2的VDS由示波器输入1+和示波器输入1-进行差分测量。电流镜输出电流由1 kΩ电阻R2两端的示波器输入2+和示波器输入2-测量。漏极电压使用来自AWG 1（输出W1）、频率为40 Hz的三角波形进行扫描。如果您要使用运算放大器设置，请确保该器件已正确连接至电源Vp (5 V)和Vn (–5 V)。

图3.NMOS电流镜测试电路面包板连接。

图4.简化测试配置面包板连接。

步骤

配置示波器以捕获多个周期的输入信号和输出信号。如果您要使用运算放大器配置，确保已开启电源。

使用Scopy工具提供的示波器或通过LTspice®仿真绘制这两个波形。示例如图5和图6所示。

图5.Scopy绘图中的电流镜波形，W2为10 kHz频率。

现在，将W1的频率更改为200 Hz，然后绘制两个波形。对相同电路使用LTspice仿真的示例如图6所示。

图6.LTspice绘图中的电流镜波形，W1为200 Hz，W2为40 Hz。

在本实验中，我们通过实验和仿真分析了采用NMOS晶体管的电流镜，展示了 ADALM2000 和Scopy应用程序在构建真实电路时的使用。
编辑：hfy